高功率密度DC/DC變換器的發展現狀

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高功率密度DC/DC變換器的發展現狀

隨著電力電子技術和計算機技術的迅猛發展，以DC/DC變換器為核心的開關電源和電力操作電源的應用越來越廣泛，系統電源適配器需用的DC/DC變換器越來越多，對其性能要求也越來越高，除去常規電性能指標以外，對其體積要求越來越小，也就是對其功率密度的要求越來越高，對轉換效率要求也越來越高，發熱越來越少，平均無故障工作時間越來越長，可靠性越來越好，因此如何開發設計出更高功率密度、更高轉換效率、更低成本、更高性能的DC/DC變換器始終是近20年來電力電子技術工程師追求的目標。通過提高開關變換器的工作頻率，可以大大的減小開關變換器的體積，提高功率密度。然而提高開關變換器的工作頻率后，開關損耗增加，電磁噪聲增大，開關器件的電壓或電流應力增加。為了解決提高工作頻率所帶來的問題，軟開關技術被提出。例如，Lucent公司開發出第一個半磚DC/DC時，輸出功率才30W，效率只有78%，如今半磚的DC/DC輸出功率已達到300W，轉換效率高達93.5%。
自20世紀80年代末起，為了縮小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高電源適配器的工作頻率做起，但這種努力的結果是大幅度減小了體積，卻降低了效率，發熱增多。因為當時MOSFET的開關速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開關損耗、驅動損耗大幅度增加，因此開始研究各種避開開關損耗的軟開關技術，雖然技術模式多樣，但是從工程實用角度僅有兩項是開發成功且一直延續到現在的：一項是VICOR公司的有源鉗位ZVS軟開關技術;另一項就是在20世紀90年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關技術。
有源鉗位技術歷經三代。第一代系VICOR公司的有源鉗位ZVS技術。VICOR公司利用該技術，配合磁元件，將DC/DC的工作頻率提高到1MHz，功率密度接近200W/in3，但轉換效率卻始終沒有超過90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關損耗，還有導通損耗和驅動損耗。特別是驅動損耗，隨工作頻率的上升也大幅度增加，而且在1MHz頻率之下不易采用同步整流技術，使效率無法再提高，因此轉換效率始終沒有突破90%大關。
為了降低第一代有源鉗位技術的成本，IPD公司采用P溝道MOSFET在變壓器二次側用于FORWARD電路拓樸的有源鉗位，使產品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET零電壓開關（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內的效率提升不如第一代有源鉗位技術，而且PMOS工作頻率也不理想。
為了讓磁能在磁心復位時不白白消耗掉，研發了第三代有源鉗位技術，其特點是在第二代有源鉗位的基礎上將磁心復位時釋放出的能量轉送至負載，實現了更高的轉換效率。共有三個電路方案。其中一個電路方案可以采用N溝道MOSFET，工作頻率較高，可以將ZVS軟開關、同步整流技術、磁能轉換都結合在一起，實現了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度，即1/4磚DC/DC做到的250W功率輸出及92%以上的轉換效率。
電源適配器應用領域仍以PWM型DC/DC產品為主流產品，對電源適配器產品的基本要求是高性能、高可靠、高穩定和實現模塊化（可熱更換），對高功率密度產品的需求也在明顯增加。目前，高功率密度開關式DC/DC在電源適配器總產量中所占的比例見表。
表1高功率密度開關式DC/DC在電源適配器總產量中所占的比例

正是因為電子設備向高性能、高可靠及小型、輕量化發展，所以對高功率密度DC/DC產品有如此大的需求。為使DC/DC變換器滿足市場需求，產品的輕、小、薄及高頻化（開關頻率提高到MHz級）是必然發展趨勢。但是高頻化卻能造成傳統的PWMDC/DC變換器功耗加大、效率降低及噪聲增加，因此無法達到高頻、高效的預期效益。
諧振開關的概念奠定了諧振變換器技術的基礎，用零電流諧振開關或零電壓諧振開關代替PWM變換器的功率開關可得到一種準諧振變換器。VICOR公司較先使軟開關技術實用化，首批推出VI—300系列（指該系列變換器模塊額定輸入是300V）三種型號的零電流開關高功率密度DC/DC變換器。目前，美國VICOR公司、加拿大北方電信公司、日本的NEMIC-LAMBDA均開發出采用軟開關技術的電源適配器產品。中國臺灣也有4家廠商從事軟開關和諧振技術的開發研究。在我國，原電子部第43所1997年成功通過了“RGF28S05型諧振式DC/DC變換器”的設計定型鑒定。這是中國自己設計制造的第一只采用零電流、“準諧振”軟開關正激電路控制的高功率密度諧振式DC/DC變換器。展望21世紀，軟開關高功率密度DC/DC變換器無疑將是主流產品。

1.第一代高功率密度PWMDC/DC產品的局限性
如前面所述，VICOR公司首先向市場推出了采用軟開關技術的VI—300系列DC/DC變換器，與第一代采用PWM控制技術的VICOR公司的VI—200系列相比，功率密度增大兩倍，元器件總數量僅為原來的1/3，達到了低成本、高性能、高功率輸出的目的。

近20年，“第一代產品”為電子系統的小型化做出了很大貢獻，同時與分立式電源適配器相比也有很多優點，如縮小了體積、縮短了生產周期。因為PWM技術的控制能力強、電路簡單、使用方便，所以在世界的電源適配器領域內得到了廣泛的應用。
但是“第一代產品”在設計上只在50～200kHz的頻率范圍內可達到較佳的性能價格比，用高頻化實現進一步地縮小體積、增加功率密度已是不大可能了。例如，作為典型的“第一代產品”，VICOR公司VI—200系列的DC/DC變換器已經使用了當代主流電子組裝技術：表面組裝技術，但是所用的磁體結構未變，仍然是30年來一直沿用的磁罐及在原通信設備中繼承下來的結構，即適用信號處理而不適用功率變換，因此不僅影響了功率密度的提高，還增添了噪聲，影響了散熱。再有，采用TO—220封裝的開關器件給組裝方案帶來不便，易受過量寄生電感、電容的影響，次生了高噪聲電平。
“第一代產品”在實際應用中被放寬使用，勉強地滿足通信、工業、軍用地面裝置在高、中范圍的電子數據處理（EDP）及可承受用戶修改設計的其他方面需求。當向較低檔、大批量EDP及商業用設備擴展應用時，功率密度、牢固性、成本、生產周期所引起的不適用則比較明顯。

2.第二代高功率密度ZCS/ZVSDC/DC產品的優點
為克服“第一代產品”的局限性，VICOR公司以有專利權的ZCS/ZVS高效、低噪聲、高頻電源適配器變換技術為基礎，對模塊電源適配器的控制部分、磁體部分及模塊中帶封裝的器件全部重新設計，研發出的“第二代產品”VI—300系列DC/DC變換器的功率密度高達120W/in3，輸入電壓范圍為180～375VDC;并預先調配好9種輸入電壓范圍和9種輸出電壓范圍，必要時可以用電阻器上調或下調輸出電壓;專用型號可以在4.5～450VDC的任意輸入電壓范圍內調整，并可以在1～100VDC任意輸出電壓范圍內調整，功率較大可以達到600W，較小為數瓦。
VI—300系列DC/DC變換器為兩排引出結構，引出端既適用于表面組裝，也可直接插入插座，工作溫度范圍為-55℃～110℃。其他技術規范還包括：
①0.1%的滿載/無負載調整率;
②10%～100%的可編程輸出;
③采用有專利權的低噪聲集成功率器件（IPD），使寄生效應降低一個數量級;
④IPD被焊在0.5mm厚度的導電、導熱初級、次級線圈屏蔽層上，屏蔽層直接插在接地的鋁底板上。
MOSFET芯片至底板的散熱性能也有改進，取消了數層布線加上改用聚酰亞胺薄膜材料，并不再使用法拉第屏蔽，熱通道的縮短有助于減小從結到底板的熱阻，VI—300的熱阻已從“第一代產品”（VI—220系列）典型的3℃/W減至1.5℃/W。
VI—300系列軟開關DC/DC產品具有的技術特點如下：
①微型ModelV48C12C154、150WDC/DC模塊，尺寸僅是第一代同類產品的1/3，輸入電壓范圍為36～75VDC，輸出電壓為12VDC。
②小型ModelV48C12C150A400WDC/DC模塊，尺寸比微型的寬1.5倍，輸入電壓為375VDC，輸出電壓為5VDC。
③全型（即全尺寸4.6in×2.2in×0.5in）ModelV375A48C600A600WDC/DC模塊，長度為小型的兩倍，輸入電壓為375VDC，輸出電壓為48VDC。
以全型外殼尺寸作為比較，“第二代產品”在相同的外殼尺寸下，功率從原來VI—200的200W提高到了600W，功率密度提高顯著。

3.DC/DC變換器的發展趨勢
目前，DC/DC變換器制造商已經在高功率密度DC/DC變換器中使用了小型微處理器技術，可以取代很多模擬電路，減少了模擬元件的數量，可以取代窗口比較器、檢測器、鎖存器等完成電源適配器的啟動、過壓保護、欠壓鎖定、過流保護、短路保護及過熱保護等功能。由于這些功能都是依靠改變在微控制器上運行的微程序，因此技術容易保密。此外，改變微控制器的微程序還可以適應在同一印制電路板上生產多品種DC/DC變換器的要求，簡化器材準備、生產管理等復雜的工作，由于是數字化管理，因此保護功能及控制功能比采用模擬電路要精密得多，并可解決多個模塊并聯工作的排序和均流問題。
第二代微控制器控制的DC/DC變換器雖然還沒有將電源適配器進行全面的數字閉環控制，但是已經沒有PWMIC出現在電路中了。一個小型MCU參與DC/DC變換器的整個閉環控制，但PWM部分仍是模擬控制，采用DSP數字信號處理器參與脈寬調制、較大、較小占空比控制、頻率設置、降頻升頻控制、輸出電壓的調節等工作，以及全部保護功能的DC/DC變換器已經問世。

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| 發布時間：2019.06.19 來源：電源適配器廠家

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